科学网—哈工大杜耘辰等：熵驱动晶格畸变调控介电极化以增强L波段电磁波吸收
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2026-5-26 12:26
| 系统分类: 论文交流
Entropy-Mediated Lattice Distortion for Tailored Dielectric Loss to Improve L-Band Electromagnetic Wave Absorption
Han Ding, Yibo Li, Yu Wang, Weikang Song, Xuan Wang, Xijiang Han, Ping Xu, Yunchen Du*
Nano-Micro Letters (2026)18:358
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02203-x
本文亮点
1. 采用构型熵调控策略，逐步增强多主元合金中的晶格畸变程度，进而重构其电子结构，并在高电磁损耗条件下实现电磁参数的优化平衡。
2. DFT计算表明，熵致晶格畸变进一步驱动了非对称电子云的重构，从而形成大量偶极子极化中心，显著增强了HEA在低频段的介电衰减能力。
3. 最终HEA展现出优异的低频电磁波吸收性能、雷达隐身特性及耐腐蚀能力，结合超材料结构设计可进一步拓展其有效吸收带宽。
研究背景
L 波段(1-2 GHz)电磁波凭借较长的波长和较强的绕射能力强，在遥感雷达、全球导航卫星系统(GNSS)、电子战系统等领域得到广泛应用。随着低频电磁设备密集部署，复杂电磁环境对电磁波吸收材料(EWAMs)提出了更高要求。与高频波段不同，L 波段属于分米波范畴，根据四分之一波长设计原理，吸波材料不仅需要维持足够的磁损耗能力，还需精准调控复介电常数以满足阻抗匹配要求。但由于 因果律 (Kramers-Kronig 关系)与导电通道逾渗效应制约，介电型吸波材料的 复介电常数 实部大幅提升时，往往伴随虚部的同步激增，最终导致材料输入波阻抗与自由空间阻抗失配，电磁波无法有效进入吸波涂层，在表面发生强反射。传统磁性材料(如铁、钴金属及羰基铁等)虽具备高饱和磁化强度与可调的初始磁导率，但其在低频段存在本征耦合限制：磁导率急剧下降，无法提供充足的磁损耗；同时单/双元合金有限的极化路径导致介电损耗薄弱，进一步限制了 L 波段的电磁波吸收效能。近年来，多主元合金尤其是高熵合金，为这一问题提供了新的材料设计策略。凭借多组分带来的丰富电子、磁学、介电功能的组合，为多损耗机制协同作用提供了平台。构型熵不仅是高熵合金微观结构的热力学稳定因子，更是晶格行为的微观精准调控器，可通过原子尺度的应变场与位移涨落，深刻影响材料的电子结构与能带分布，为调控电磁响应特性提供了可行路径。但长期以来，构型熵驱动的晶格畸变如何通过电子结构重构映射到低频电磁参数的跨尺度关联机制仍需进一步探究。
内容简介
针对 L 波段吸波材料 “阻抗匹配与高损耗难以兼顾、低频吸收效能不足” 的核心瓶 颈， 哈工大杜耘辰等人 提出构型熵连续调控新策略，设计并制备了低熵(LEA)、中熵(MEA)、高熵(HEA)系 列合金，通过构型熵调控，实现了材料微观晶格结构、电子结构重构与电磁响应的调控。随着构型熵升高，多主元合金发生从 BCC 主相向 FCC 结构的连续相演化，同步伴随晶格畸变程度的逐级加剧。显著的晶格畸变打破了晶体结构的局部中心对称性，诱导电子云非对称重构，在原子尺度原位构建了大量偶极极化中心，同时由畸变构筑的崎岖势能面显著提升了偶极取向弛豫能垒，大幅延长 极化弛豫时间 ，从根源上显著放大了EWAMs的低频介电极化损耗。受益于熵诱导晶格畸变效应，HEA在1.7 GHz处实现了-22.7 dB的最小反射损耗(吸收效率达99.46%)，L波段有效覆盖率达80.5%(RL ≤-5 dB)。三维梯度多层超材料结构的设计进一步拓宽了吸收带宽。此外，该高熵合金还展现出优异的雷达隐身性能和耐腐蚀能力。本工作为通过微尺度晶格工程设计低频电磁功能材料提供了一种新的研究范式。
图文导读
I 构型熵调控实现晶格畸变的渐进式构筑
如图1和2所示，本研究通过固定 Co、Ni、Cr、Cu 相对摩尔比、仅调控 Fe 元素含量的策略，实现了多主元合金体系构型熵的连续可控调节，成功合成LEA、MEA、HEA系列合金，清晰揭示了熵驱动的晶格结构演化规律。随着构型熵升高，合金发生从BCC主相向FCC结构的连续相转变，晶格畸变程度逐级加剧。GPA 应变分析显示，HEA的晶格畸变程度显著高于LEA与MEA，这种源于原子尺寸失配与化学无序的晶格畸变，为材料电子结构重构与电磁性能调控构筑了核心微观基础。同时，XPS表征验证了熵增效应可重构合金局域电子环境，为偶极极化中心的形成提供了先决条件。
图1. 多主元合金的合成工艺、物相结构、元素分布及化学价态表征 。
图2. 多主元合金的微观结构演变与晶格应变分析 。
II 熵增效应实现 L 波段电磁波高效吸收与优异雷达隐身性能
如图3所示，吸波性能测试结果表明，HEA展现出优于SM、LEA与MEA的低频吸波性能，在7.18 mm匹配厚度下，1.7 GHz处实现-22.7 dB的最小反射损耗，对应电磁波吸收效率高达99.46%。在7.84 mm 固定厚度下，其L波段有效吸收带宽达805 MHz(1.195-2.0 GHz，RL≤-5 dB)，覆盖了80.5%的L波段。性能提升的核心在于HEA实现了阻抗匹配与衰减能力的最优平衡，既保障电磁波有效入射，又能实现高效耗散。CST 仿真进一步验证，涂覆 HEA 的面板峰值 RCS 低至- 34.51 dBm²，具备优异的宽角度雷达隐身特性，实际应用潜力突出。
图3. 电磁波吸收性能评估与雷达散射截面仿真 。
III 晶格畸变调控电磁响应的微观机制揭示
如图4所示，结合电磁参数表征与DFT理论计算，系统揭示了熵介导晶格畸变调控低频电磁响应的内在机制。在介电损耗调控上，熵诱导的晶格畸变打破晶格长程有序性，在原子尺度构建了大量偶极极化中心，同时通过构筑高能垒势能面显著延长极化弛豫时间，从根源上大幅放大了低频介电极化损耗，这是 HEA低频吸波性能提升的来源。在磁损耗调控上，熵增效应虽使合金饱和磁化强度有所降低，但有效抑制了磁导率的低频频散效应，为HEA保留了稳定的磁损耗通道，与介电损耗形成协同互补。最终，熵介导的晶格畸变通过同步调控介电与磁损耗机制，实现了材料高电磁损耗与优异阻抗匹配的最优平衡。
图4. 介电响应机制与熵致晶格畸变的DFT解析 。
IV 超材料结构 拓展宽带电磁吸收与耐腐蚀性能
如图5所示，针对传统平面吸波结构带宽受限和实际服役环境复杂的问题，研究实现了材料性能的双重升级。在宽带吸收拓展上，通过设计MEA与HEA交替堆叠的四层梯度超材料结构，突破了传统平面结构的带宽-厚度权衡限制，在2 mm厚度下，有效吸收带宽覆盖0.5-8.0 GHz，全带宽达7.5 GHz，实现了多波段超宽带电磁波吸收。在耐腐蚀性能上，模拟海水环境的电化学测试表明，HEA腐蚀电流密度为2.5×10⁻⁷A·cm⁻²，较单金属体系降低近一个数量级，具备优异的抗腐蚀能力。其核心源于晶格畸变带来的“ 迟滞扩散效应 ”，可促进表面形成致密稳定的钝化膜，有效抵御腐蚀介质侵蚀，能适配海洋等极端环境的长期服役需求。
图5. 超材料吸波结构设计与多主元合金耐腐蚀性能 。
V 总结
本研究提出构型熵连续调控策略，设计制备了LEA、MEA、HEA系列合金，探究了构型熵-晶格畸变-电磁功能之间的跨尺度机制。实验与DFT计算表明，随着构型熵提高，可加剧合金晶格畸变，既通过诱导电子云非对称重构在原子尺度构建大量偶极极化中心、延长极化弛豫时间以显著增强低频介电损耗，实现高电磁损耗下电磁参数的调控与阻抗匹配的平衡。得益于此，HEA在 1.7 GHz 处实现 - 22.7 dB 的最小反射损耗，L波段覆盖度达80.5%，结合三维梯度超材料设计可实现0.5-8 GHz超宽带高效吸收，同时兼具优异的雷达隐身性能与耐腐蚀性。该工作表明，晶格畸变可以作为一种可编程的微观调控“旋钮”，与宏观结构设计协同作用，为发展下一代“材料-结构-功能”一体化低频宽带电磁吸收材料提供了重要思路。
作者简介
杜耘辰
本文通讯作者
哈尔滨工业大学 教授
▍ 主要研究 领域
碳纳米复合材料的设计合成，主要应用于高性能吸波材料、高能涉嫌屏蔽材料、光热蒸发等领域。
▍ 主要研究成果
吉林大学学士、硕士和博士学位，在德国德国马普学会弗里茨·哈伯研究所进行联合培养，现为哈尔滨工业大学教授(长聘)/博士生导师/国家级化学实验教学示范中心主任，2022-2024年连续三年入选科睿唯安全球“高被引科学家”，2021-2025年连续五年入选全球前2%顶尖科学家榜单。担任《信息对抗技术》杂志编委，内蒙古自治区军民融合发展智库专家。主要从事碳基功能材料的设计合成及其在电磁吸收、光热转换和环境催化等领域的应用研究。先后主持国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金等十余项课题，在Adv. Sci.、Appl. Catal. B、Nano-Micro Lett.、Small、J. Mater. Chem. A等国际期刊发表论文220余篇，总他引超18000余次，高被引论文21篇。获得黑龙江省自然科学一等奖2项(2019年和2021年)、黑龙江省高等教育教学成果一等奖(2020年)和二等奖(2024年)各1项等荣誉。
▍ Email： yunchendu@hit.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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Nan o-M icro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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